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大规模物联网连接数量成倍增长,系统设计要如何应对

发布时间:2021-05-11 发布时间:
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2020年,大规模物联网技术NB-IoT和Cat-M继续在全球部署。到2020年底,大规模物联网应用的数量将达到约1亿。根据Ericsson预估,到2025年底,NB-IoT和Cat-M将占所有蜂窝物联网连接的52%。

物联网应用设计考虑因素

为了在市场上获得更广泛采用,物联网应用必须满足各种设计考虑因素,例如低成本、低功耗和运算效率。尤其对于电池供电的设备(例如智能音箱和智能电表)而言,除了丰富的物联网功能和易于使用的人机接口,电池寿命也成为产品成功与否的关键,因此低功耗因素变得越来越重要。为了延长电池寿命,除了使用低功耗MCU,还应考虑其他低功耗的周边组件。

图1移动设备系统架构图

许多移动设备采用图1中的相似架构,如平板电脑或智能手表等。Wi-Fi/BT和移动网络模块负责通信。传感器(如触摸面板)专用于收集外部信息,并将信息转发给应用处理器。NOR/NAND负责存储程序代码/数据,而DRAM则用于暂时性的处理。

目前,许多MCU供货商正在开发效能更高、功耗更低的新一代MCU,以满足市场需求。但从整体系统设计的角度来看,与MCU搭配使用的DRAM也需要有新的选择,以提供比现有SDRAM、低功耗SDRAM和CRAM/PSRAM更佳的优势。因为这些现有的DRAM标准定义过于陈旧,已无法跟上最新技术发展(详情请参照表1)。

表1DRAM标准及其对应逻辑处理节点

支持HyperBusTM接口的HyperRAMTM是能满足市场需求的最新技术解决方案。HyperBusTM技术由Cypress于2014年首次发布,并于2015年推出其首款HyperRAMTM产品。考虑到市场发展需要,华邦电子决定加入HyperRAMTM阵营,并推出32Mb/64Mb/128Mb容量的产品,进一步扩展其产品组合,以应对多样化的应用需求,使生态系统更趋完整。

HyperRAMTM使用优势

HyperRAMTM仅具备13个信号IO脚位,可大大简化PCB的布局设计。这也意味着,在设计最终产品时,设计人员能将MCU的更多脚位用于其他目的,或减少MCU使用脚位以提升成本效益。如图2所示,与类似的DRAM(如低功耗DRAM、SDRAM和CRAM/PSRAM)相比,HyperRAMTM只需最少的脚位数便能实现近似的处理量(333MB/s)。

图2IO脚位比较

简化控制接口是HyperRAMTM的另一项技术特色,PSRAM只有9个控制接口,而LPSDRAM有18个。控制接口越少,DRAM控制器所需的复杂度就越低。详细区别可参阅图3。

HyperRAMTM系以PSRAM架构为基础,是能够自刷新(SelfRefresh)的RAM。而且,它可以自动恢复为待机模式。因此,系统内存更易于使用,固件和驱动程序的开发也会更简单。

图3LPSDR和HyperRAMTM的控制接口比较

由于HyperRAMTM是近几年才开发的,因此它可以采用最新型的半导体制程节点和封装技术,使其封装尺寸比其他DRAM都要小。图4为JEDEC、PSRAM和HyperRAMTM的封装尺寸比较。

图4封装尺寸比较

HyperRAMTM满足新兴物联网设备需求

功耗对于物联网设备至关重要,因为设备大多由电池供电。降低功耗不仅可以节省用电,还可以减少设备充电和更换的成本。以华邦的64MbHyperRAMTM为例,其待机耗电量为90uW(1.8V下),而相同容量的SDRAM的耗电量则是2000uW(3.3V下)。

更重要的是,HyperRAMTM在混合休眠模式下的耗电量仅45uW(1.8V下),与SDRAM在待机模式下的耗电量有明显差异(表2)。另一方面,即使采用低功耗的SDRAM,其耗电量和外形尺寸仍较HyperRAMTM更大。

表2耗电量比较

传统的SDRAM和PSRAM发展日臻成熟,难以对新兴的物联网应用进行优化。有鉴于汽车和工业应用的长期供应需求,华邦HyperRAMTM的先进制程节点可以满足市场对长寿命产品生命周期的需求。

从整个系统设计和产品寿命来看,HyperRAMTM已成为新兴物联网设备的理想选择。包括NXP、Renesas、ST和TI等领先的MCU公司已开始提供支持HyperBusTM接口的MCU,未来其新产品亦将继续支持HyperBusTM接口。

同时,HyperBusTM控制接口开发平台已准备就绪。Cadence和Synopsys也已开始提供HyperRAMTM存储器验证IP,可加快IC厂商的设计周期。因此,与其他Octal RAM相比,HyperRAMTM具有最成熟的应用环境。HyperRAMTM已被纳入JEDEC标准,并成为与JEDEC xSPI兼容的技术。

目前,华邦HyperRAMTM产品系列的32Mb、64Mb和128Mb已进入量产,同时已开始提供24BGA(汽车级)、49BGA、WLCSP和KGD的产品。24BGA的尺寸为6x8 mm2,而49BGA的尺寸仅为4x4 mm2,主要针对消费型可穿戴式设备市场。


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